JP2013055714A - 振動発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】安定的かつ効率的に発電を行うことが可能な振動発電機を提供する。
【解決手段】振動発電機１は、筐体１１内に、第一集合磁石１２、第二集合磁石１４、第一集合コイル１６、および第二集合コイル１８を備えている。第一集合磁石１２および第二集合磁石１４は、複数の永久磁石が同極対向構造を有するように並べられている。第一集合磁石１２は、第二集合磁石１４の周りに設けられている。第一集合磁石１２の外側に、第一集合コイル１６が設けられている。第一集合磁石１２と第二集合磁石１４との間に、第二集合コイル１８が設けられている。第一集合コイル１６および第二集合コイル１８は、第一集合磁石１２および第二集合磁石１４の軸線方向に移動可能である。第一集合コイル１６および第二集合コイル１８が移動することによって、コイルを横切る磁束が変化し、電流が誘起する。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動によって発電する振動発電機に関する。

従来、振動による運動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動発電機が提案されている。このような振動発電機では、コイル内を通過する磁束が変動することによって、コイルに誘導電流が発生するようになっており、この発生した誘導電流を外部負荷に供給できる。このような振動発電機の一例として、例えば特許文献１に記載された振動発電機では、コイル内に磁場を発生させるための一対の永久磁石が、コイルを挟んで両側に設けられる。一対の永久磁石は、反対極性の磁極が対向するように配置されている。一方側の永久磁石が振動することによって磁場の様子が変化し、コイル内を通過する磁束は変動する。これによってコイルに誘導電流が発生する。

特開２００８−２５９２６４号公報

しかしながら特許文献１に記載された振動発電機では、永久磁石が振動する過程で、永久磁石を支持する支持部や、他の永久磁石に永久磁石が吸着してしまう可能性があり、安定的に発電を行うことができないという問題点がある。

また特許文献１に記載された振動発電機では、一対の永久磁石の間にコイルが設けられているので、一方の永久磁石から他方の永久磁石に向かう方向の磁束が、コイルにおける誘導電流の発生に寄与することになる。しかしながら、一方の永久磁石から、他方の永久磁石に向かう方向と反対側にも磁束は発生する。このため、反対側に発生する磁束を有効に活用することができず、振動発電機の発電効率を向上させることができないという問題点がある。

本発明の目的は、安定的かつ効率的に発電を行うことが可能な振動発電機を提供することにある。

本発明の振動発電機は、筒状で軸線方向に着磁した永久磁石が、前記軸線が一致するように複数並べられ、且つ、隣接する前記永久磁石と他の前記永久磁石との近接部分で同極同士が対向配置した構造を有する、筒状の第一集合磁石と、筒状または棒状で軸線方向に着磁した永久磁石が、前記第一集合磁石の軸線と一致するように複数並べられ、且つ、隣接する前記永久磁石と他の前記永久磁石との近接部分で同極同士が対向配置した構造を有する、筒状または棒状の第二集合磁石であって、前記第一集合磁石で囲まれた部分に、前記第一集合磁石の軸線と前記第二集合磁石の軸線とが一致する向きに設けられ、前記第一集合磁石の前記近接部分に対して最も近い位置にある前記第二集合磁石の前記近接部分が、前記第一集合磁石の前記近接部分と異なる極性を有するように配置された第二集合磁石と、前記第一集合磁石の周囲に、前記第一集合磁石の軸線方向と直交する直交方向に巻回されたコイルであって、前記第一集合磁石の軸線方向に移動可能に設けられた第一コイルと、前記第一コイルを移動可能に支持するバネであって、第一バネ定数を有する第一バネと、前記第二集合磁石の周囲且つ前記第一集合磁石で囲まれた部分に、前記直交方向に巻回されたコイルであって、前記第二集合磁石の軸線方向に振動可能に設けられた第二コイルと、前記第二コイルを振動可能に支持するバネであって、前記第一バネ定数とは異なる第二バネ定数を有する第二バネとを備えている。

本発明によれば、振動発電機は、同極対向構造を有する第一集合磁石および第二集合磁石を使用することによって、近接部分間の磁束密度を高めることができる。これによって、第一集合磁石と第一コイルとの相対的な位置関係、および、第二集合磁石と第二コイルとの相対的な位置関係が変動した場合に、第一コイルおよび第二コイルに誘起する電流は大きくなるので、振動発電機の発電効率を向上させることができる。また、第一集合磁石および第二集合磁石に対して第一コイルおよび第二コイルを移動させることによって、第一コイルおよび第二コイルを安定的に移動させることができる。これによって、振動発電機を安定的に発電させることができる。また、第一集合磁石の外周方向に発生する磁束によって、第一コイルに電流を誘起させることができる。従って、第一集合磁石から発生する磁束を有効に活用することによって、振動発電機の発電効率を向上させることができる。さらに、第一バネの第一バネ定数と、第二バネの第二バネ定数とが異なるので、第一コイルおよび第二コイルは、異なる共振周波数に基づいて振動する。このため、振動発電機が良好に発電可能な振動時の周波数が広帯域化されたことになり、振動時に共振しやすく、発電効率が良くなる。

本発明において、前記第一コイルと前記第一バネとが電気的に接続されてもよい。前記第一コイルが移動することによって前記第一コイルに誘導した電流は、前記第一バネを伝導してもよい。これによって、第一コイルに誘起した電流を、配線を別途設けることなく取り出すことができるので、振動発電機内の構造をシンプルにすることができる。従って、製造時の工程を簡素化することができるので、振動発電機を容易に製造することができる。

本発明において、前記第二コイルと前記第二バネとが電気的に接続されてもよい。前記第二コイルが移動することによって前記第二コイルに誘導した電流は、前記第二バネを伝導してもよい。これによって、第二コイルに誘起した電流を、配線を別途設けることなく取り出すことができるので、振動発電機内の構造をシンプルにすることができる。従って、製造時の工程を簡素化することができるので、振動発電機を容易に製造することができる。

本発明において、前記第一集合磁石、前記第二集合磁石、前記第一コイル、および前記第二コイルを覆うように軟磁性体の筒状部材を備えてもよい。これによって、第一集合磁石および第二集合磁石が発生する磁束を、筐体内に閉じ込めることができる。従って、振動発電機から漏れた磁束が周囲に影響を及ぼすことを抑止することができる。また、軟磁性体の筒状部材を備えることにより、第一集合磁石との間に磁気回路が形成される。これにより、第一コイルを通過する磁束密度を更に高めることができるので、振動発電機の発電効率を更に高めることができる。

本発明において、前記第一コイルの巻き数を、前記第二コイルの巻き数と比較して多くしてもよい。第一集合磁石の外周方向に発生する磁束密度は、第一集合磁石および第二集合磁石の間に発生する磁束密度よりも小さい。ここで、第一コイルの巻き数を第二コイルの巻き数よりも多くし、第一コイルに誘起する電流を大きくすることによって、第一コイルに誘起する電流と第二コイルに誘起する電流とを近似させることができる。これによって、振動発電機が異なる周波数で振動した場合であっても、振動発電機を安定的に発電させることができる。

振動発電機１の内部構造を示す断面図である。 図１のＩ−Ｉ線矢視方向断面図である。 振動周波数と起電力との関係を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態である振動発電機１について、図１〜図３を参照して説明する。これらの図面は、本発明が採用しうる技術的特徴を説明するために用いられるものである。記載されている機器の構成等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。以下、図１の上側、下側、左側、および右側を、其々、振動発電機１の上側、下側、左側、および右側という。

振動発電機１は筐体１１を備えている。筐体１１の形状は、上下方向を軸線方向とする円筒形である（図２参照）。筐体１１の材料として、鉄、パーマロイ等の軟磁性体材料を使用することができる。筐体１１は、上壁１１Ａ、側壁１１Ｂ、下壁１１Ｃ、および仕切り壁１１Ｄを備えている。仕切り壁１１Ｄは、上壁１１Ａ、側壁１１Ｂ、および下壁１１Ｃで囲まれた筒内に設けられている。仕切り壁１１Ｄの形状は円形板状である。仕切り壁１１Ｄは、上壁１１Ａおよび下壁１１Ｃと並行に、且つ、筒内の上下方向略中央よりも上壁１１Ａ側に設けられている。仕切り壁１１Ｄは、上壁１１Ａ、側壁１１Ｂ、および下壁１１Ｃで囲まれた筒内の空間を上下に仕切っている。仕切り壁１１Ｄによって、筒内上側の上空間１１Ｅと、筒内下側の下空間１１Ｆとが形成されている。

上空間１１Ｅについて説明する。上空間１１Ｅ内に、整流回路４１および蓄電回路４２が設けられている。整流回路４１は、後述する第一集合コイル１６および第二集合コイル１８に誘起した交流電流を整流する。蓄電回路４２は、整流回路４１によって整流された電流を蓄電する。蓄電回路４２に蓄電された電流は、図示外の電極を介して外部に出力される。外部に出力された電流は、外部装置の負荷に供給される。これによって振動発電機１は、外部装置を駆動することができる。整流回路４１は、例えばトランスやダイオードブリッジを含んでいる。蓄電回路４２は、例えば電解コンデンサを含んでいる。

下空間１１Ｆについて説明する。下空間１１Ｆ内に、第一集合磁石１２、第二集合磁石１４、第一集合コイル１６、および、第二集合コイル１８が設けられている。第一集合磁石１２は、保持部材２１、２３によって保持されている。第二集合磁石１４は、保持部材２０、２２によって保持されている。第一集合コイル１６は、第一バネ３５、３６によって保持されている。第二集合コイル１８は、第二バネ３７、３８によって保持されている。以下詳説する。

仕切り壁１１Ｄの下面且つ円形中心から、下方且つ下空間１１Ｆ内に向けて、保持部材２０が延びている。下壁１１Ｃの上面且つ円形中心から、上方且つ下空間１１Ｆ内に向けて、保持部材２２が延びている。保持部材２０、２２は、後述する第二集合磁石１４を上下方向から挟持することによって、第二集合磁石１４を下空間１１Ｆの上下方向略中央部分に保持している。保持部材２０、２２の形状は円柱形である。保持部材２０、２２の外径は、側壁１１Ｂの内径の略１／４である。保持部材２０、２２は、軸線方向を上下方向に向けている。保持部材２０、２２の軸線方向と、筐体１１の軸線方向とは同一である。保持部材２０の軸線に沿って、貫通穴２０１が上下方向に延びている。保持部材２２の軸線に沿って、貫通穴２２１が上下方向に延びている。貫通穴２０１、２２１は、其々、保持部材２０、２２を上下方向に貫通する穴である。

第二集合磁石１４は、永久磁石１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃを備えている。以下、永久磁石１５Ａ〜１５Ｃを区別しない場合、または総称する場合、永久磁石１５という。永久磁石１５の形状は、円筒形状である（図２参照）。永久磁石１５の外径は、保持部材２０、２２の径と略同一である。永久磁石１５Ａ〜１５Ｃの形状は同一である。第二集合磁石１４は、軸線方向を上下方向に向けている。第二集合磁石１４の軸線方向および軸線位置は、保持部材２０、２２の軸線方向および軸線位置と同一である。第二集合磁石１４および保持部材２０、２２は、一体の円柱形となって下空間１１Ｆ内を上下方向に延びている。永久磁石１５の軸線に沿って、貫通穴１５１が上下方向に延びている。貫通穴１５１は、円筒形状の永久磁石１５の内径部であり、保持部材２０の貫通穴２０１および保持部材２２の貫通穴２２１に繋がっている。貫通穴１５１、２０１、２２１に非磁性且つ筒状の保持部材２５を挿入することにより、永久磁石１５が左右側に動かないように保持される。

永久磁石１５は、上から下方向に向けて、永久磁石１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃの順で並んでいる。永久磁石１５は、上下方向に隣接する他の永久磁石１５と端部で接触している。永久磁石１５は、軸線方向である上下方向に着磁している。永久磁石１５Ａ、１５Ｃは、上側がＮ極に着磁し、下側がＳ極に着磁している。永久磁石１５Ｂは、上側がＳ極に着磁し、下側がＮ極に着磁している。永久磁石１５Ａの下端と永久磁石１５Ｂの上端は、其々Ｓ極に着磁しており、Ｓ極同士が対向配置している。同様に、永久磁石１５Ｂの下端と永久磁石１５Ｃの上端は、其々Ｎ極に着磁しており、Ｎ極同士が対向配置している。以下、上述した構造を同極対向構造ともいう。永久磁石１５Ａの下端と永久磁石１５Ｂの上端との接触部分、および、永久磁石１５Ｂの下端と永久磁石１５Ｃの上端との接触部分を、其々、接触部分１５Ｄ、１５Ｅという。

仕切り壁１１Ｄの下面から、下方且つ下空間１１Ｆ内に向けて、保持部材２１が延びている。下壁１１Ｃの上面から、上方且つ下空間１１Ｆ内に向けて、保持部材２３が延びている。保持部材２１、２３は、後述する第一集合磁石１２を上下方向から挟持することによって、第一集合磁石１２を下空間１１Ｆの上下方向略中央部分に保持している。保持部材２１、２３の形状は円筒形である。保持部材２１、２３の内径は、側壁１１Ｂの内径の略１／２である。また、保持部材２１、２３の内径側には、非磁性且つ筒状の保持部材２６が挿入され、永久磁石１２が左右側に動かないように保持されている。保持部材２６の外径は保持部材２１、２３の内径と略同一である。保持部材２１、２３は、軸線方向を上下方向に向けている。保持部材２１、２３の軸線方向と、筐体１１の軸線方向とは同一である。保持部材２１は、保持部材２０の側面の周囲を囲んでいる。保持部材２３は、保持部材２２の側面の周囲を囲んでいる。保持部材２０と保持部材２１との間、および、保持部材２２と保持部材２３との間に、隙間が設けられている。同様に、保持部材２１と側壁１１Ｂとの間、および、保持部材２３と側壁１１Ｂとの間に、隙間が設けられている。

第一集合磁石１２は、永久磁石１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃを備えている。以下、永久磁石１３Ａ〜１３Ｃを区別しない場合、または総称する場合、永久磁石１３という。永久磁石１３の形状は円筒形である（図２参照）。永久磁石１３の内径および外径は、保持部材２１、２３の内径および外径と略同一である。永久磁石１３Ａ〜１３Ｃの形状は同一である。永久磁石１３の上下方向の長さは、永久磁石１５の上下方向の長さと略同一である。永久磁石１３Ａ〜１３Ｃの筐体１１に対する上下方向の位置は、其々、永久磁石１５Ａ〜１５Ｃの筐体１１に対する上下方向の位置と略同一である。第一集合磁石１２は、軸線方向を上下方向に向けている。永久磁石１５Ａ〜１５Ｃは、それぞれの軸線が一致するように並べられている。第一集合磁石１２の軸線方向および軸線位置は、保持部材２１、２３の軸線方向および軸線位置と同一である。また第一集合磁石１２の軸線方向は、第二集合磁石１４の軸線方向と同一である。第一集合磁石１２および保持部材２１、２３は、一体の円筒形となって下空間１１Ｆ内を上下方向に延びている。第一集合磁石１２は、第二集合磁石１４の側面の周囲を囲んでいる。第一集合磁石１２と第二集合磁石１４との間に、隙間が設けられている。同様に、第一集合磁石１２と側壁１１Ｂとの間に、隙間が設けられている。

永久磁石１３は、上から下方向に向けて、永久磁石１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃの順で並んでいる。永久磁石１３は、上下方向に隣接する他の永久磁石１３と端部で接触している。永久磁石１３は、軸線方向である上下方向に着磁している。永久磁石１３Ａ、１３Ｃは、上側がＳ極に着磁し、下側がＮ極に着磁している。永久磁石１３Ｂは、上側がＮ極に着磁し、下側がＳ極に着磁している。第一集合磁石１２は、第二集合磁石１４と同様、同極対向構造を有している。永久磁石１３Ａの下端と永久磁石１３Ｂの上端は、其々Ｎ極に着磁しており、Ｎ極同士が対向配置している。永久磁石１３Ｂの下端と永久磁石１３Ｃの上端は、其々Ｓ極に着磁しており、Ｓ極同士が対向配置している。以下、永久磁石１３Ａの下端と永久磁石１３Ｂの上端との接触部分、および、永久磁石１３Ｂの下端と永久磁石１３Ｃの上端との接触部分を、其々、接触部分１３Ｄ、１３Ｅという。

接触部分１３Ｄ、１５Ｄは、筐体１１に対する上下方向の位置が略同一であるため、他の接触部分と比較して互いに最も近接した位置関係となっている。また、接触部分１３Ｄの極性はＮ極であり、接触部分１５Ｄの極性はＳ極であるため、互いに異なる極性となっている。さらに、第一集合磁石１２および第二集合磁石１４は同極対向構造を有しているので、接触部分１３Ｄ、１５Ｄ間の磁束密度は、永久磁石１３、１５其々を単体で使用した場合よりも大きくなっている。なお、接触部分１３Ｅ、１５Ｅの場合も同様である。

第一集合磁石１２および保持部材２１、２３と、側壁１１Ｂとの間に、ボビン３１が設けられている。ボビン３１の形状は筒状である（図２参照）。ボビン３１は、第一集合磁石１２および保持部材２１、２３の外周面に沿って設けられている。ボビン３１は、筒状部３１Ａ、延設部３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄを備えている。筒状部３１Ａは、第一集合磁石１２および保持部材２１、２３の外周面に沿って設けられた筒状体である。延設部３１Ｂは、筒状部３１Ａの上端から外周方向且つ水平に延びる板体である。延設部３１Ｃは、筒状部３１Ａの上下方向略中央から外周方向且つ水平に延びる板体である。延設部３１Ｄは、筒状部３１Ａの下端から外周方向且つ水平に延びる板体である。ボビン３１は、第一集合磁石１２および保持部材２１、２３の外周面に沿って上下方向に移動可能である。

ボビン３１に第一集合コイル１６が巻回されている。第一集合コイル１６は、コイル１７Ａ、１７Ｂを備えている。以下、コイル１７Ａ、１７Ｂを区別しない場合、または総称する場合、コイル１７という。コイル１７は、ボビン３１の筒状部３１Ａに沿って巻回されている。コイル１７は、第一集合磁石１２および第二集合磁石１４の軸線方向である上下方向に直交する直交方向、即ち、図１の左右方向に巻回されていることになる。巻回された状態のコイル１７の軸線方向は、第一集合磁石１２および第二集合磁石１４の軸線方向と同一である。

コイル１７は、上から下方向に向けて、コイル１７Ａ、１７Ｂの順で並んでいる。コイル１７Ａは、筒状部３１Ａのうち、延設部３１Ｂ、３１Ｃによって挟まれる部分に巻回されている。コイル１７Ｂは、筒状部３１Ａのうち、延設部３１Ｃ、３１Ｄによって挟まれる部分に巻回されている。筒状部３１Ａにコイル１７が巻回されている部分の上下方向の長さは、永久磁石１３、１５の上下方向の長さよりも僅かに短い。コイル１７Ａが巻回されている部分の上端から、コイル１７Ｂが巻回されている部分の上端までの間の長さは、永久磁石１３、１５の上下方向の長さと同一である。コイル１７Ａ、１７Ｂは、其々逆方向に巻回されている。コイル１７Ａ、１７Ｂは、直列に接続されている。コイル１７の材料として、銅が使用できる。ボビン３１の上下方向への移動に伴い、第一集合コイル１６は、第一集合磁石１２の周囲、且つ、第一集合磁石１２と側壁１１Ｂとの間の隙間を、第一集合磁石１２の軸線方向である上下方向に移動する。

コイル１７Ａに、第一バネ３５の一端側が接続されている。第一バネ３５の他端側は、仕切り壁１１Ｄの下面近傍に配置されている。第一バネ３５は、保持部材２１の周囲且つ延設部３１Ｂの上方に設けられている。第一バネ３５はコイルバネである。第一バネ３５は押しバネである。第一バネ３５は、ボビン３１を下方に付勢することによって、ボビン３１に巻回された第一集合コイル１６を下方に付勢する。

コイル１７Ｂに、第一バネ３６の一端側が接続されている。第一バネ３６の他端側は、下壁１１Ｃの上面近傍に配置されている。第一バネ３６は、保持部材２３の周囲且つ延設部３１Ｄの下方に設けられている。第一バネ３６はコイルバネである。第一バネ３６は押しバネである。第一バネ３６は、ボビン３１を上方に付勢することによって、ボビン３１に巻回された第一集合コイル１６を上方に付勢する。第一集合コイル１６は、第一バネ３５、３６によって支持されている。

第一バネ３５、３６は、同一のバネ定数を有している。以下、第一バネ３５、３６の有するバネ定数を、第一バネ定数ともいう。このため第一集合コイル１６は、第一バネ定数に基づいて特定される共振周波数で最も良好に振動する。以下、第一バネ定数に基づいて特定される共振周波数を、ｆ１とも表記する。

第一バネ３５の他端側（図１の上端側）は、整流回路４１から上空間１１Ｅ内にて延びる配線（図示外）と電気的に接続している。第一バネ３６の他端側（図１の下端側）は、整流回路４１から保持部材２５内にて延びる配線（図示外）と電気的に接続している。第一集合コイル１６に誘起した電流は、第一バネ３５、３６を介して整流回路４１に伝達される。第一バネ３５、３６は、第一集合コイル１６を中心方向に付勢すると同時に、コイル１７に誘起した電流の伝送路として機能する。

第一集合磁石１２および保持部材２１、２３と、第二集合磁石１４および保持部材２０、２２との間に、ボビン３２が設けられている。ボビン３２の形状は筒状である（図２参照）。ボビン３２は、第二集合磁石１４および保持部材２０、２２の外周面に沿って設けられている。ボビン３２は、筒状部３２Ａ、延設部３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄを備えている。ボビン３２の形状は、ボビン３１の形状と同一である。ボビン３２は、第二集合磁石１４および保持部材２０、２２の外周面に沿って上下方向に移動可能である。

ボビン３２に第二集合コイル１８が巻回されている。第二集合コイル１８は、コイル１９Ａ、１９Ｂを備えている。以下、コイル１９Ａ、１９Ｂを区別しない場合、または総称する場合、コイル１９という。コイル１９は、ボビン３２の筒状部３２Ａに沿って巻回されている。コイル１９は、第一集合磁石１２および第二集合磁石１４の軸線方向である上下方向に直交する直交方向、即ち、図１の左右方向に巻回されていることになる。巻回された状態のコイル１９の軸線方向は、第一集合磁石１２および第二集合磁石１４の軸線方向と同一である。

コイル１９は、上から下方向に向けて、コイル１９Ａ、１９Ｂの順で並んでいる。コイル１９Ａは、筒状部３２Ａのうち、延設部３２Ｂ、３２Ｃによって挟まれる部分に巻回されている。コイル１９Ｂは、筒状部３２Ａのうち、延設部３２Ｃ、３２Ｄによって挟まれる部分に巻回されている。筒状部３２Ａにコイル１９が巻回されている部分の上下方向の長さは、永久磁石１３、１５の上下方向の長さよりも僅かに短い。コイル１９Ａが巻回されている部分の上端から、コイル１９Ｂが巻回されている部分の上端までの間の長さは、永久磁石１３、１５の上下方向の長さと同一である。コイル１９Ａ、１９Ｂは、其々逆方向に巻回されている。コイル１７Ａ、１９Ａは、同一方向に巻回されている。コイル１９Ａ、１９Ｂは、直列に接続されている。ボビン３２の上下方向への移動に伴い、第二集合コイル１８は、第二集合磁石１４の周囲、且つ、第一集合磁石１２と第二集合磁石１４との間の隙間を、第二集合磁石１４の軸線方向である上下方向に移動する。

コイル１９Ａに、第二バネ３７の一端側が接続されている。第二バネ３７の他端側は、仕切り壁１１Ｄの下面近傍に配置されている。第二バネ３７は、保持部材２０の周囲且つ延設部３２Ｂの上方に設けられている。第二バネ３７はコイルバネである。第二バネ３７は押しバネである。第二バネ３７は、ボビン３２を下方に付勢することによって、ボビン３２に巻回された第二集合コイル１８を下方に付勢する。

コイル１９Ｂに、第二バネ３８の一端側が接続されている。第二バネ３８の他端側は、下壁１１Ｃの上面近傍に配置されている。第二バネ３８は、保持部材２２の周囲且つ延設部３２Ｄの下方に設けられている。第二バネ３８はコイルバネである。第二バネ３８は押しバネである。第二バネ３８は、ボビン３２を上方に付勢することによって、ボビン３２に巻回された第二集合コイル１８を上方に付勢する。第二集合コイル１８は、第二バネ３７、３８によって支持されている。

第二バネ３７、３８は、同一のバネ定数を有している。以下、第二バネ３７、３８の有するバネ定数を、第二バネ定数ともいう。第二バネ定数は、第一バネ定数とは異なっている。このため第二集合コイル１８は、第二バネ定数に基づいて特定される共振周波数、且つ共振周波数ｆ１とは異なる共振周波数で最も良好に振動する。以下、第二バネ定数に基づいて特定される共振周波数を、ｆ２とも表記する。

第二バネ３７の他端側（図１の上端側）は、整流回路４１から上空間１１Ｅ内にて延びる配線（図示外）と電気的に接続している。第二バネ３８の他端側（図１の下端側）は、整流回路４１から保持部材２５内にて延びる配線（図示外）と電気的に接続している。第一集合コイル１６および第二集合コイル１８は、並列に接続されることになる。第二集合コイル１８に誘起した電流は、第二バネ３７、３８を介して整流回路４１に伝達される。第二バネ３７、３８は、第二集合コイル１８を中心方向に付勢すると同時に、コイル１９に誘起した電流の伝送路として機能する。

振動発電機１の発電動作について説明する。振動発電機１が上下方向に振動したとする。筐体１１に加わった運動エネルギーは、第一集合コイル１６および第二集合コイル１８に伝達する。第一集合コイル１６は、側壁１１Ｂと第一集合磁石１２との間の空間を、上下方向に往復移動する。第二集合コイル１８は、第一集合磁石１２と第二集合磁石１４との間の空間を、上下方向に往復移動する。

第二集合コイル１８が往復移動する際、接触部分１３Ｄ、１５Ｄ間、および、接触部分１３Ｅ、１５Ｅ間に形成された磁束であって、第二集合コイル１８が横切る磁束密度が変化する。これによって、第二集合コイル１８に電流が誘起する。第二集合コイル１８が往復移動を繰り返すことで、第二集合コイル１８に交流電流が発生する。ここで、第一集合磁石１２および第二集合磁石１４は同極対向構造を有しているため、接触部分１３Ｄ、１５Ｄ間、および、接触部分１３Ｅ、１５Ｅ間の磁束密度は、永久磁石１３、１５が単体で使用された場合よりも大きくなっている。従って、第二集合コイル１８に誘起する電流は大きくなり、振動発電機１の発電効率は向上する。第二集合コイル１８に誘起した電流は、第二バネ３７、３８を介して整流回路４１に伝達する。

また、第一集合コイル１６が往復移動する際、接触部分１３Ｄ、１３Ｅに形成される磁束であって、第一集合コイル１６が横切る磁束密度が変化する。これによって、第一集合コイル１６に電流が誘起する。第一集合コイル１６が往復移動を繰り返すことで、第一集合コイル１６に交流電流が発生する。ここで、第一集合磁石１２は同極対向構造を有しているため、接触部分１３Ｄ、１３Ｅに起因する磁束密度は、第一集合磁石１２が同極対向構造を有さない場合よりも大きくなっている。従って、第一集合コイル１６に誘起する電流は大きくなり、振動発電機１の発電効率は向上する。第一集合コイル１６に誘起した電流は、第一バネ３５、３６を介して整流回路４１に伝達する。

第一集合コイル１６および第二集合コイル１８に誘起し、整流回路４１に伝達した交流電流は、整流回路４１において全波整流される。全波整流された電流は、蓄電回路４２に蓄電される。蓄電された電流は、図示外の電極を介して外部に出力される。外部に出力された電流は、外部装置の負荷に供給される。外部装置は、供給された電流によって駆動する。

なお、接触部分１３Ｄ、１５Ｄ間と、接触部分１３Ｅ、１５Ｅ間とでは、極性の配置が逆になっているため、磁束の方向は反対向きになる。これに対し、第二集合コイル１８のコイル１９Ａ、１９Ｂは、巻回される向きが反対向きになっている。さらに、コイル１９Ａ、１９Ｂの上端の間隔は、永久磁石１５Ａ〜１５Ｃの上下方向の長さと同一である。このため、第二集合コイル１８の移動によりコイル１９Ａ、１９Ｂに同時に誘起する電流の方向は同一方向になる。これによって、誘起した電流同士が打ち消し合ってしまうことを抑止できるので、第二集合コイル１８に発生した電流を効率的に取り出すことができる。

同様に、接触部分１３Ｄ、１３Ｅでは、極性の配置が逆になっているため、磁束の方向は反対向きになる。これに対し、第一集合コイル１６のコイル１７Ａ、１７Ｂは、巻回される向きが反対向きになっている。さらに、コイル１７Ａ、１７Ｂの上端の間隔は、永久磁石１３Ａ〜１３Ｃの上下方向の長さと同一である。このため、第一集合コイル１６の移動によりコイル１７Ａ、１７Ｂに同時に誘起する電流の方向は同一方向になる。これによって、誘起した電流同士が打ち消し合ってしまうことを抑止できるので、第一集合コイル１６に発生した電流を効率的に取り出すことができる。

また振動発電機１では、第一集合コイル１６は共振周波数ｆ１で良好に振動し、第二集合コイル１８は共振周波数ｆ２で良好に振動する。従って図３に示すように、振動発電機１が振動する場合の振動周波数がｆ１の場合、第一集合コイル１６に誘起する電流は最も大きくなるので、この電流に基づいて算出される起電力も最も大きくなる（曲線４６）。一方、振動発電機１が振動する場合の振動周波数がｆ２の場合、第二集合コイル１８に誘起する電流は最も大きくなるので、この電流に基づいて算出される起電力も最も大きくなる（曲線４７）。なお、第一集合コイル１６に作用する磁束密度の方が、第二集合コイル１８に作用する磁束密度よりも小さいため、図３では、曲線４６のピーク値は、曲線４７のピーク値よりも小さくなっている。振動発電機１の起電力は、曲線４８に示すように、双方の起電力（曲線４６、４７）を加算した値になる。振動発電機１を効率的に発電させることが可能な振動周波数は、第一バネ３５、３６の第一バネ定数と、第二バネ３７、３８の第二バネ定数とを同一とした場合、即ち双方の共振周波数ｆ１、ｆ２を同一とした場合と比較して、広帯域化する。

以上説明したように、振動発電機１は、同極対向構造を有する第一集合磁石１２および第二集合磁石１４を使用することによって、接触部分１３Ｄ、１５Ｄ間、および、接触部分１３Ｅ、１５Ｅ間の磁束密度を高めることができる。これによって、第一集合磁石１２および第二集合磁石１４と第二集合コイル１８との相対的な位置関係が変動した場合にコイル１９に誘起する電流を大きくすることができるので、振動発電機１の発電効率を向上させることができる。

また、第一集合磁石１２および第二集合磁石１４を筐体１１に固定し、第一集合コイル１６および第二集合コイル１８を移動させるので、第一集合コイル１６および第二集合コイル１８を安定的に移動させることができる。第一集合磁石１２および第二集合磁石１４を移動させた場合、振動発電機１内に設けられた機構部、例えば、筐体１１内壁や保持部材２０〜２３等に永久磁石１３、１５が吸着してしまう可能性があるためである。このため振動発電機１は、安定的に発電を行うことができる。

また、第一集合磁石１２の外周方向に発生する磁束によって、第一集合コイル１６に電流を誘起させることができる。従って、第一集合磁石１２から外周方向に向けて発生する磁束を有効に活用することができるので、振動発電機１の発電効率を更に向上させることができる。

また、第一バネ３５、３６の第一バネ定数と、第二バネ３７、３８の第二バネ定数とが異なるので、第一集合コイル１６および第二集合コイル１８は、異なる共振周波数ｆ１、ｆ２で良好に振動する。このため、振動発電機１を良好に発電させることが可能な振動周波数を広帯域化することができる。

また、第一集合コイル１６に誘起した電流は、第一バネ３５、３６を介して整流回路４１に伝達する。同様に、第二集合コイル１８に誘起した電流は、第二バネ３７、３８を介して整流回路４１に伝達する。従って、第一集合コイル１６および第二集合コイル１８に誘起した電流を取り出すための配線を別途設けることなく、誘起した電流を取り出すことができる。従って、振動発電機１内の構造をシンプルにすることができるので、振動発電機１の製造工程を簡素化し、振動発電機１の製造を容易化できる。

さらに、筐体１１を軟磁性体材料とすることによって、第一集合磁石１２および第二集合磁石１４間に発生する磁束密度を、筐体１１内に閉じ込めることができる。従って、振動発電機１から漏れた磁束が周囲に影響を及ぼすことを抑止することができる。また、筐体１１が軟磁性体材料であるため、第一集合磁石１２との間に磁気回路が形成される。これにより、第一集合コイル１６を横切る磁束密度を更に高めることができるので、振動発電機１の発電効率を更に高めることができる。

なお、筐体１１が本発明の「筒状部材」に相当する。第一集合コイル１６が本発明の「第一コイル」に相当する。第二集合コイル１８が本発明の「第二コイル」に相当する。接触部分１３Ｄ、１３Ｅ、１５Ｄ、および１５Ｅが本発明の「近接部分」に相当する。

本発明は上述の実施形態に限定されず、種々の変更が可能である。第一集合磁石１２を構成する永久磁石１３と、上下方向に隣接する他の永久磁石１３とは接触していなくてもよく、所定間隔を空けて配置されていてもよい。同様に、第二集合磁石１４を構成する永久磁石１５と、上下方向に隣接する他の永久磁石１５とは接触していなくてもよく、所定間隔を空けて配置されていてもよい。第二集合磁石１４を構成する永久磁石１５に貫通穴１５１は設けられていなくてもよい。第二集合磁石１４は棒状であってもよい。第一集合コイル１６および第二集合コイル１８と電気的に接続される配線は、下空間１１Ｆ内を上下方向に通っていてもよい。第一集合磁石１２および第二集合磁石１４は、仕切り壁１１Ｄおよび下壁１１Ｃ間に直接保持されてもよい。整流回路４１から延びる配線を、第一集合コイル１６および第二集合コイル１８に直接接続してもよい。筐体１１内に、上下方向に亙る共通の空間を設けてもよい。第一集合磁石１２および第二集合磁石１４は、筐体１１の上下方向に亙って設けられていてもよい。第一集合コイル１６および第二集合コイル１８は、筐体１１の上下方向に亙って移動可能に設けられていてもよい。

第一集合コイル１６および第二集合コイル１８は、第一集合磁石１２および第二集合磁石１４の軸線方向と同一方向に巻回されてもよい。この場合、巻回された状態の第一集合コイル１６および第二集合コイル１８の軸線方向は、第一集合磁石１２および第二集合磁石１４の軸線方向と直交することになる。例えば振動発電機１が下方向に重力が加わる状態で、振動する外部機器に取り付けて使用される場合、第一バネ３６、および第二バネ３８のみ設けられた構成としてもよい。

第一集合コイル１６を構成するコイル１７の巻総数と、第二集合コイル１８を構成するコイル１９の巻総数とは、同一であっても良いし、異なっていてもよい。双方の巻総数を異ならせる場合、第一集合コイル１６を構成するコイル１７の巻総数を、第二集合コイル１８を構成するコイル１９の巻総数よりも大きくしてもよい。理由は以下のとおりである。

第一集合コイル１６には、第一集合磁石１２の接触部分１３Ｄ、１３Ｅの磁力に起因した外周方向の磁束が作用する。一方、第二集合コイル１８には、第一集合磁石１２の接触部分１３Ｄ、１３Ｅ、および、第二集合磁石１４の接触部分１５Ｄ、１５Ｅの磁力に起因した磁束が作用する。従って、第一集合コイル１６に作用する磁束は、第二集合コイル１８に作用する磁束と比較して、密度が小さくなる。このため、第一集合コイル１６を構成するコイル１７の巻総数と、第二集合コイル１８を構成するコイル１９の巻総数とを同一とした場合、図３に示すように、磁束の変化に伴って誘起される電流は、第二集合コイル１８よりも第一集合コイル１６の方が小さくなる。これに対し、第一集合コイル１６を構成するコイル１７の巻総数を、第二集合コイル１８を構成するコイル１９の巻総数よりも多くすることによって、第一集合コイル１６に作用する磁束密度が小さい場合でも、より大きな電流を第一集合コイル１６に誘起させることができる。これによって、第一集合コイル１６に誘起する電流と、第二集合コイル１８に誘起する電流とを近似させることができる。従って、振動発電機１が異なる周波数で振動した場合であっても、振動発電機１を安定的に発電させることができる。

１ 振動発電機
１１ 筐体
１２ 第一集合磁石
１４ 第二集合磁石
１６ 第一集合コイル
１８ 第二集合コイル
３５、３６ 第一バネ
３７、３８ 第二バネ

Claims (5)

1. 筒状で軸線方向に着磁した永久磁石が、軸線が一致するように複数並べられ、且つ、隣接する前記永久磁石と他の前記永久磁石との近接部分で同極同士が対向配置した構造を有する、筒状の第一集合磁石と、
   筒状または棒状で軸線方向に着磁した永久磁石が、前記第一集合磁石の軸線と一致するように複数並べられ、且つ、隣接する前記永久磁石と他の前記永久磁石との近接部分で同極同士が対向配置した構造を有する、筒状または棒状の第二集合磁石であって、前記第一集合磁石で囲まれた部分に、前記第一集合磁石の軸線と前記第二集合磁石の軸線とが一致する向きに設けられ、前記第一集合磁石の前記近接部分に対して最も近い位置にある前記第二集合磁石の前記近接部分が、前記第一集合磁石の前記近接部分と異なる極性を有するように配置された第二集合磁石と、
   前記第一集合磁石の周囲に、前記第一集合磁石の軸線方向と直交する直交方向に巻回されたコイルであって、前記第一集合磁石の軸線方向に移動可能に設けられた第一コイルと、
   前記第一コイルを移動可能に支持するバネであって、第一バネ定数を有する第一バネと、
   前記第二集合磁石の周囲且つ前記第一集合磁石で囲まれた部分に、前記直交方向に巻回されたコイルであって、前記第二集合磁石の軸線方向に振動可能に設けられた第二コイルと、
   前記第二コイルを振動可能に支持するバネであって、前記第一バネ定数とは異なる第二バネ定数を有する第二バネと
   を備えた振動発電機。
2. 前記第一コイルと前記第一バネとが電気的に接続されており、前記第一コイルが移動することによって前記第一コイルに誘導した電流は前記第一バネを伝導することを特徴とする請求項１に記載の振動発電機。
3. 前記第二コイルと前記第二バネとが電気的に接続されており、前記第二コイルが移動することによって前記第二コイルに誘導した電流は前記第二バネを伝導することを特徴とする請求項１または２に記載の振動発電機。
4. 前記第一集合磁石、前記第二集合磁石、前記第一コイル、および前記第二コイルを覆う軟磁性体の筒状部材を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の振動発電機。
5. 前記第一コイルの巻き数が、前記第二コイルの巻き数と比較して多いことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の振動発電機。

Images